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2022年完成的這件事,讓我們向“星辰大?!庇诌M一步

發(fā)布時間:2023-01-11 15:12:00來源: 中國新聞周刊

  中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團隊:天宮筑成

  中國新聞周刊記者/彭丹妮

  發(fā)于2023.1.9總第1076期《中國新聞周刊》雜志

  2022年度科技人物 中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團隊 

  獲獎理由

  2022年,中國空間站在軌完成三艙“T”字基本構(gòu)型,首次實現(xiàn)六名航天員太空會師,中國空間站全面建成,國家太空實驗室遨游蒼穹。三十而立的中國載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略“第三步”取得重要進展,中國載人航天器綜合性能達到國際先進水平。中國空間站系統(tǒng)研發(fā)團隊為此做出不懈努力。

  2022年11月29日,搭載了神舟十五號載人飛船的運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。次日早晨,三名航天員費俊龍、鄧清明、張陸進入中國空間站,與神舟十四號乘組的三名航天員首次實現(xiàn)“太空會師”。

  神舟十五號的發(fā)射,標志著中國空間站關(guān)鍵技術(shù)驗證和建造階段的12次發(fā)射任務(wù)全部完成。2021年4月底,“天和”核心艙發(fā)射以來,中國先后發(fā)射了3個空間站艙段、4艘載人飛船、4艘貨運飛船,同一發(fā)射場兩次任務(wù)最短間隔僅12天。自此,中國空間站進入運營階段,將保持長期有人駐留,乘組在軌輪換也將成為常態(tài)。

  載人航天是一項高投入、高風險、高技術(shù)的系統(tǒng)工程,世界范圍內(nèi),只有俄羅斯、美國和中國三個國家獨立掌握載人航天技術(shù)。1992年9月,中央決策實施載人航天工程,代號“921工程”,并確定了“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略。30年后,隨著空間站全面建成,中國在航天強國建設(shè)的過程中又邁出關(guān)鍵一步。

  2022年10月末,美國著名的科技類雜志《連線》在《中國現(xiàn)在是一個主要的太空大國》一文中指出,中國現(xiàn)在已獨立完成了俄羅斯和美國幾十年前所做的事情,天宮空間站完成得如此之快,而且一些設(shè)計和技術(shù)比先前的空間站更先進。

  非常完備的航天體系

  距離世界第一座空間站“禮炮一號”升空50周年紀念日10天后,2021年4月29日,天宮號的核心艙“天和”發(fā)射。中國天宮空間站由三部分組成,包括“天和”核心艙、“問天”及“夢天”兩個實驗艙,整體呈T字型。

  核心艙是空間站的指揮控制中心,具備交會對接、轉(zhuǎn)位與停泊、乘組長期駐留、航天員出艙、保障空間科學(xué)實驗等能力;密封艙內(nèi)配置有工作區(qū)、睡眠區(qū)、衛(wèi)生區(qū)、就餐區(qū)、醫(yī)監(jiān)醫(yī)保區(qū)及鍛煉區(qū),能夠為航天員工作和生活提供舒適良好的保障。

  2022年7月24日,“問天”實驗艙發(fā)射升空,可以對“天和”核心艙平臺功能進行系統(tǒng)級備份,能夠在應(yīng)急情況下“整體接管”空間站。它支持航天員在軌駐留,提供專用氣閘艙和應(yīng)急避難場所,還支持開展密封艙內(nèi)、艙外科學(xué)實驗和技術(shù)試驗。

  2022年10月31日,搭載“夢天”實驗艙的長征五號B遙四運載火箭在海南文昌發(fā)射,約8分鐘后成功進入預(yù)定軌道。這是中國空間站的第三個艙段,也是最后一個模塊。11月3日,隨著“夢天”實驗艙順利完成轉(zhuǎn)位,“T”字基本構(gòu)型在軌組裝完成,擁有整體110立方米活動空間的中國空間站建造完成。

  空間站工程是中國載人航天工程的第三步?!叭阶摺钡牡谝徊绞茄兄戚d人飛船階段,實現(xiàn)航天員天地往返等目標;第二步是空間實驗室階段,掌握出艙、交會對接技術(shù),驗證推進劑在軌補加技術(shù),完成運送貨物補給等任務(wù);第三步則是空間站建設(shè)任務(wù),具體來說,又包括關(guān)鍵技術(shù)驗證、組裝建造和運營三個階段。

  中國空間站研制工作由中國航天科技集團五院(以下簡稱“航天五院”)抓總。研制團隊抓總完成天宮空間站系統(tǒng)設(shè)計、核心艙和問天艙研制發(fā)射任務(wù),及空間站在軌關(guān)鍵技術(shù)驗證和組裝建造。團隊突破超大型載人航天器系統(tǒng)研制、大型載人航天器交會對接與艙段轉(zhuǎn)位、多任務(wù)高剛度高精度機械臂在軌操作等多項關(guān)鍵技術(shù)。

  胡軍是航天科技集團五院載人飛船系統(tǒng)副總設(shè)計師。1993年7月,彼時從北京大學(xué)博士畢業(yè)的他就加入五院,投身到剛剛啟動的“921”工程中,見證了基礎(chǔ)薄弱的中國載人航天如何一步步騰飛。

  他在接受《中國新聞周刊》采訪時稱,當時中國在航天技術(shù)、工業(yè)和人才方面底子薄,大大小小的任務(wù)都要從頭摸索。比如,研發(fā)載人航天工程的相關(guān)軟件要從零起步,當時三位軟件編程設(shè)計師都是初出校門,邊學(xué)邊研發(fā),費盡心血。

  胡軍參與了載人天地安全往返、組合導(dǎo)航系統(tǒng)、空間交會對接技術(shù)等關(guān)鍵控制技術(shù)的攻關(guān),“返回控制技術(shù)、捷聯(lián)慣性組合導(dǎo)航和地面實驗這幾項攻關(guān)是比較難的。”胡軍說,所以從1993年開始,一直到1999年,中國才發(fā)射神舟一號,當時都是老同志帶著年輕人一點點摸索過來。

  2003年,神舟五號首次將中國航天員送入太空。回頭來看,胡軍說,最開始那10年的艱難起步,雖然困難重重,但是的確做了很多工作,為后來載人航天工程第二步和第三步打下了很好的基礎(chǔ)。

  比如,第一步當中,中國建立了現(xiàn)代化的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心、航天員訓(xùn)練基地,建立了測控、火箭發(fā)射、飛船制造、著陸救援等新的技術(shù)體系。更重要的是,像胡軍這一批剛剛參加工作的新人,經(jīng)歷了從神舟一號到神舟五號的鍛煉,都逐步成長為各自領(lǐng)域的專家。再加上整體國力、工業(yè)水平等方面的綜合提升,載人航天工程的二期和三期開展得更加順利。

  “921”工程帶動了中國整體航天技術(shù)的進步。比如,為了支撐中國載人航天工程,中國建立了自己的中繼衛(wèi)星。從2008年4月發(fā)射天鏈一號01星以來,中國已建成了擁有全球覆蓋能力的中繼星衛(wèi)星系統(tǒng),使得實施空間站交會對接技術(shù)時,不會受到測控資源的約束。

  “我國當前有了非常完備的航天體系。”航天科技集團五院空間站系統(tǒng)總指揮王翔2022年8月在接受央視采訪時談道,而且,諸多技術(shù)能力是完全自主可控的。

  一個面向全球的太空研究基地

  2022年10月,接受《自然》雜志采訪時,澳大利亞格里菲斯大學(xué)研發(fā)太空技術(shù)的教授保羅·索薩表示,中國建造天宮空間站是一項巨大的成就?!斑@是杰出的,”他補充說,空間站為中國研究人員開辟了一個新的科學(xué)研究基地。

  空間站是人類飛往深空的前哨站,也是人類在太空中的大型科學(xué)實驗平臺?!蹲匀弧冯s志指出,天宮號是目前太空中唯二的實驗室,預(yù)計將在其至少10年的生命周期內(nèi)開展1000多項科學(xué)實驗。

  雖然空間站運行在距離地面340至450公里的低地球軌道上,比起地球到月球、火星等天體的距離近很多,但是這里已進入了太空,可以獲得微重力環(huán)境,這為許多研究提供了可能性。

  2022年5月,神舟十三號載人飛船返回艙在北京開艙,出艙的除了宇航員,還有中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、北京林業(yè)大學(xué)、航天育種產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟等單位精選的作物種子。這次跟著3名航天員一起搭乘該飛船返回地球的有約12000顆種子,包括中藥材、牧草、水稻、生菜等各類植物種子。

  太空育種的最大優(yōu)勢在于空間誘變材料的變異率高、育種周期短,可在較短時間內(nèi)創(chuàng)制出高產(chǎn)、早熟、抗病等性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源。30多年來,中國通過航天育種已篩選新材料1200多份,培育水稻、小麥、大豆、蔬菜等新品種260多個。

  2022年7月,空間站系統(tǒng)總指揮王翔等人發(fā)表的文章《我國天宮空間站研制及建造進展》指出,天宮空間站作為國家太空實驗室,將利用艙內(nèi)25個實驗機柜、艙外67個暴露載荷支持設(shè)施,持續(xù)滾動開展各類研究。主要研究方向包括航天醫(yī)學(xué)、空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、空間天文與天體物理學(xué)、微重力流體物理與燃燒科學(xué)等。

  空間站實驗項目采取滾動征集、遴選和實施的機制,每2~3年按照規(guī)劃進行一次項目征集。與國際空間站將合作國以外的他國科學(xué)家拒之門外不同,中國空間站的實驗室資源是面向全球的。中國載人航天工程總設(shè)計師周建平曾表示,對一些有意愿、沒能力獨立從事載人航天活動的國家,中國可為其提供太空飛行和科研的機會。

  天宮空間站的高速通訊系統(tǒng)可以每天向地面發(fā)送數(shù)10G的數(shù)據(jù)。這將讓科學(xué)家得以分析所有可能包含了重大發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù),例如非常微弱的伽馬射線暴,或其他可能被當作噪音而忽視的天體物理活動。天宮還搭載了一臺超級計算機,能在太空中分析數(shù)據(jù),這些信息隨后可以與地面科學(xué)家共享,以便研究同步進行。

  空間站建成后,預(yù)計2024年前后投入運行的巡天空間望遠鏡也將與它共軌飛行,在附近軌道上以光學(xué)和紫外線波長觀測宇宙。巡天的口徑為兩米,分辨率與哈勃望遠鏡相當,且視場角是哈勃的300多倍,是中國第一個大口徑、大視場的空間天文望遠鏡。當巡天望遠鏡需要維修、推進劑補加和載荷設(shè)備升級時,就可以與空間站對接,單獨運行時,又不受其他艙體影響。

  王翔等人指出,這種長期共軌飛行、短期對接停靠的模式是天宮空間站在運行上的重要創(chuàng)新。除了巡天空間望遠鏡外, 未來還將可能有更多的航天器與天宮空間站共軌飛行,接受在軌服務(wù),天宮空間站將逐漸發(fā)揮“太空母港”的重要作用。

  2022年,是國際空間站工作的第24個年頭,超長的服役期使得空間站的設(shè)備性能嚴重老化,每年高達50億美元的維護成本,依舊無法修補其損傷。2021年,拜登政府給出了最后的期限:國際空間站最早可能在2030年退役。不過,這還要取決于合作國的意愿。

  也就是說,在未來很長一段時間內(nèi),天宮空間站可能將會成為近地軌道的唯一的空間站。因此,其在太空科學(xué)研究方面的意義將更為顯著。北京大學(xué)地球與空間科學(xué)學(xué)院教授焦維新曾在接受《中國新聞周刊》采訪時強調(diào),所有空間站本身建造技術(shù)的進步也都是為科學(xué)實驗服務(wù),要有原創(chuàng)、特色的成果和新的技術(shù)應(yīng)用出現(xiàn),“這是我們的主要目標,也是我們由空間大國變?yōu)榭臻g強國的根本方向”。

  注重應(yīng)用效益和運營經(jīng)濟性

  空間站技術(shù)發(fā)展方面,此前最具代表性的是蘇聯(lián)的“和平號”空間站和16國聯(lián)合建造的國際空間站。

  1986年,蘇聯(lián)的“和平號”空間站升空,這是第三代空間站代表,其多艙結(jié)構(gòu)亦可稱之為組合式、積木式的空間站。“和平號”空間站由1個核心艙和5個實驗艙組成,5個實驗艙都通過核心艙上的接口與之緊密結(jié)合,像堆積木一樣。

  中國的天宮號亦屬于第三代空間站。美國印第安納大學(xué)研究太空治理的教授艾坦·泰佩爾等人2022年12月在學(xué)術(shù)類媒體《對話》的文章中指出,天宮參照了蘇聯(lián)時代的設(shè)計,不過,天宮空間站進行了大量的現(xiàn)代化改進。

  空間機械臂技術(shù)是天宮空間站的亮點技術(shù)之一。天宮空間站在“天和”核心艙配置1個7自由度大機械臂,作業(yè)半徑為10米;在“問天”實驗艙配置1個7自由度小機械臂, 作業(yè)半徑為5米,可獨立、組合或協(xié)同使用,完成艙段轉(zhuǎn)位、輔助航天員出艙、艙外貨物轉(zhuǎn)移、懸停捕獲來訪飛行器等任務(wù)。

  國際空間站以其龐大的規(guī)模、酷炫的外形,已成為當代世界航天的標志。它由美俄主導(dǎo),日本、歐洲、加拿大航天局參加,16個國家共建和運行。1998年11月20日,由美國出資、俄羅斯制造的第一個組件“曙光”號功能艙發(fā)射成功,隨后10多年間,國際空間站從2個太空艙拓展至15個太空艙,直到2010年才最終建造完成并轉(zhuǎn)入全面使用階段。

  國際空間站落成這一年,中國載人空間站工程正式啟動。與國際空間站相比,天宮號雖然起步更晚,反而有了更多后發(fā)優(yōu)勢。正如胡軍所指出的,“每個年代的航天工程,都打上了那個時代的烙印。”他說,天宮空間站在設(shè)計時,考慮的就是一個大規(guī)模的中控系統(tǒng),盡可能把各種分散在各個艙段的資源整合起來,實現(xiàn)資源的重組、融合,降低冗余設(shè)計。比如,信息技術(shù)方面,不再采用國外空間站的點對點通信,而是全總線結(jié)構(gòu),不但能大大減輕電纜重量,而且數(shù)據(jù)量更大,且可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

  《紐約時報》指出,西方航天專家表示,國際空間站的規(guī)模超出實際需要,特別是考慮到自1994年以來,計算機和其他科學(xué)設(shè)備都已經(jīng)小型化。相反,中國空間站吸取了國外空間站的經(jīng)驗和教訓(xùn),最大限度降低組裝、建造和運營成本,最大程度地支持科學(xué)實驗。王翔等人發(fā)表的文章寫道,天宮空間站的設(shè)計從中國國情出發(fā),遵循規(guī)模適度,有所為、有所不為的原則,充分采用當代先進技術(shù),注重應(yīng)用效益和運營經(jīng)濟性,實現(xiàn)跨越式發(fā)展。

  比如,國際空間站中,美、俄、日及歐洲航天局各有一個主要用于開展實驗工作的實驗艙,其真正用于實驗的艙體占整個空間站重量比不到20%。天宮號空間站除了兩個實驗艙,核心艙也可以開展部分實驗工作。中國載人航天工程總設(shè)計師周建平近來在接受采訪時談到,通過高效的空間管理,中國空間站提供的實驗機柜數(shù)量將會是國際空間站的五分之四。

  早至2016年,周建平就曾談及,航天事業(yè)很花錢,中國一直在琢磨著省錢。當時,他透露,中國正在研究載人飛船的回收問題,下一個發(fā)展目標就是回收和重復(fù)利用載人飛船。

  2022年12月,在接受采訪時,周建平重提了這一目標,并表示,“我相信幾年內(nèi)我們就可以實現(xiàn)新一代飛船返回艙的重復(fù)使用。”火箭方面,2022年11月26日,由航天六院研發(fā)的一種燒液氧煤油的火箭發(fā)動機原型試車成功,該發(fā)動機是瞄準新一代運載火箭重復(fù)使用而打造的天地往返動力裝置。

  空間站進入運營階段后,航天科技集團五院負責載人飛船系統(tǒng)的副總設(shè)計師胡軍說,空間站有定期例行的發(fā)射任務(wù),需要載人飛船和貨運飛船提供支持服務(wù),以實現(xiàn)航天員和貨物的往來。因此,其所在團隊接下來還是要保證飛船系統(tǒng)的兩大基本使命:交會對接和能夠更加安全可靠地返回。未來,還要進一步發(fā)展自主的快速返回系統(tǒng)。他表示,“要未雨綢繆,考慮到更多的場景和可能的意外情況?!?/p>

  中國載人航天的下一個目標是月球。2022年11月28日,在神舟十五號載人飛行任務(wù)新聞發(fā)布會上,中國載人航天工程辦公室主任助理季啟明表示,中國載人航天探索的腳步不會只停留在近地軌道。月球是人類拓展和開發(fā)利用地外空間的理想基地和前哨站,月球探索也一直是當今世界載人航天發(fā)展的熱點和焦點。

  王翔在12月接受央視采訪時也談到,天宮空間站的前向可以繼續(xù)發(fā)射對接一個擴展艙段,從而提供更多的空間站對接口。后續(xù)如果要開展載人月球探測,一些飛行器的技術(shù)或者新一代飛船的技術(shù),都可以利用空間站的這個平臺在天上進行驗證。“空間站的應(yīng)用和發(fā)展剛剛起步。”

  聲明:刊用《中國新聞周刊》稿件務(wù)經(jīng)書面授權(quán)

(責編:陳濛濛)

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